JP2019094907A - Turbomachine - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、ターボ機械に関する。 The present disclosure relates to a turbomachine.
従来、ターボ機械は、翼車の両面に生じる差圧に伴う軸方向荷重(スラスト荷重)を支持するスラスト軸受と、半径方向荷重(ラジアル荷重)を支持するラジアル軸受とをそれぞれ個別に備えている。また、ターボ機械は、スラスト荷重及びラジアル荷重を支持するアンギュラ玉軸受を備えていることもある。また、回転軸の軸受として、テーパー状の軸受が知られている。 Conventionally, turbomachines are individually provided with a thrust bearing that supports an axial load (thrust load) associated with a differential pressure generated on both sides of a impeller, and a radial bearing that supports a radial load (radial load). . Turbomachines may also include angular contact ball bearings that support thrust and radial loads. Moreover, a tapered bearing is known as a bearing of a rotating shaft.
特許文献1には、図9に示すように、タービン302、回転軸303、コンプレッサホイール304、カラー306、軸受307a、及び軸受307bを備えたターボチャージャ300が記載されている。回転軸303には、回転軸303の中間部からタービン302側へ径が徐々に大きくなるテーパー部305が形成されている。カラー306は、回転軸303の中間部からコンプレッサホイール304側へかけて徐々に径が拡大するテーパー状の形状を有する。カラー306は、回転軸303に固着されている。軸受307aは、テーパー部305に対応してテーパー部305よりわずかに大径のテーパー状の軸受である。軸受307bは、カラー306に対応してカラー306よりわずかに大径のテーパー状の軸受である。
軸受307a及び軸受307bは、静圧気体軸受である。圧縮気体がテーパー部305及びカラー306の周囲に供給される。これにより、テーパー部305及びカラー306はそれぞれ軸受307a及び軸受307bから浮き上がり、回転軸303が軸受307a及び軸受307bとの間に摩擦を生じることなく回転する。気体の圧力はテーパー部305のテーパー面及びカラー306のテーパー面に対して垂直に作用し、気体の圧力は、ラジアル方向だけでなくスラスト方向にも働く。このため、ターボチャージャ300において、スラスト軸受が不要である。
The bearing 307a and the bearing 307b are static pressure gas bearings. Compressed gas is supplied around the
特許文献2には、図10に示すように、回転軸501、軸受部材503、軸受部材504、空気軸受506、空気軸受507、流路508、及び流路509を備えた空気軸受装置500が記載されている。空気軸受506は、回転軸501と軸受部材503との間に形成されている。空気軸受507は、回転軸501と軸受部材504との間に形成されている。軸受部材503に流路508が設けられており、軸受部材504に流路509が設けられている。加圧空気が流路508から空気軸受506に供給される。また、加圧空気が流路509から空気軸受507に供給される。空気軸受506及び空気軸受507は、テーパー状に形成され、空気軸受506の大径側及び空気軸受507の大径側が互いに向かい合っている。なお、特許文献2において、空気軸受装置500と回転軸501に取り付けられるべき翼車との位置関係は定かではない。
特許文献1に記載のターボチャージャ300によれば、回転軸303が回転するときのターボチャージャ300の振動特性について改良の余地を有する。そこで、本開示は、良好な振動特性を有するターボ機械を提供する。
According to the
本開示は、
常温での飽和蒸気圧が負圧である冷媒を作動流体として 用いた冷凍サイクル装置のためのターボ機械であって、
回転軸と、
前記回転軸に固定され、前記回転軸が回転するときに作動流体によって相対的に低い圧力を受ける低圧面を含む第一翼車と、
前記第一翼車の前記低圧面側に配置され、前記回転軸を支持する第一軸受と、
前記第一翼車を挟んで前記第一軸受と反対側で前記回転軸を支持する第二軸受と、を備え、
前記回転軸は、少なくとも前記第一軸受によって支持されている領域において前記第一翼車の低圧面に向かって拡大する直径を有する第一テーパー部を含み、
前記第一軸受は、前記第一翼車の低圧面に向かって直径が拡大する第一支持面を有して前記第一テーパー部を支持し、
前記第一軸受、前記第一翼車、及び前記第二軸受が前記回転軸の長さ方向に沿ってこの順に配置されている、
ターボ機械を提供する。
The present disclosure
A turbo machine for a refrigeration cycle apparatus using a refrigerant whose saturation vapor pressure at normal temperature is a negative pressure as a working fluid,
With the rotation axis,
A first impeller fixed to the rotating shaft and including a low pressure surface which receives a relatively low pressure by the working fluid as the rotating shaft rotates;
A first bearing disposed on the low pressure surface side of the first impeller and supporting the rotating shaft;
And a second bearing that supports the rotating shaft on the side opposite to the first bearing with the first impeller interposed therebetween.
The rotating shaft includes a first tapered portion having a diameter that expands toward the low pressure surface of the first impeller at least in the region supported by the first bearing,
The first bearing has a first support surface whose diameter increases toward the low pressure surface of the first impeller to support the first tapered portion.
The first bearing, the first impeller, and the second bearing are disposed in this order along the longitudinal direction of the rotation shaft.
Provide turbomachinery.
上記のターボ機械は、良好な振動特性を有する。 The above turbomachine has good vibration characteristics.
(本開示の基礎となった知見)
本発明者らは、常温(日本工業規格:20℃±15℃/JIS Z8703)で飽和蒸気圧が負圧(絶対圧で大気圧よりも低い圧力)である作動流体が用いられ、吐出される作動流体の圧力が負圧であるターボ機械を検討した。その結果、以下の知見を得た。
作動流体として常温での飽和蒸気圧が負圧である冷媒を用いる冷凍サイクル装置では、作動流体として常温での飽和蒸気圧が正圧である冷媒を用いる冷凍サイクル装置に比して、ターボ機械においてより高い圧力比を実現することが要求される。そのため、ターボ機械は回転体の回転数として極めて高い回転数が必要になる。また、これに起因してターボ機械において、共振による異常振動が生じ易くなる。本発明者らは、鋭意検討したところ、軸方向の回転体の質量分布を重心位置から近い位置に偏らせ、回転体の曲げ固有振動数を増大させることで、回転体の曲げ固有振動数を定格回転数よりも高くし、これにより共振による異常振動を抑制できることを見出した。
上記知見に基づき、本発明者らは、以下に説明する各態様の発明を想到するに至った。
(Findings that formed the basis of this disclosure)
The present inventors use and discharge a working fluid whose saturated vapor pressure is a negative pressure (absolute pressure and lower than atmospheric pressure) at normal temperature (Japanese Industrial Standard: 20 ° C. ± 15 ° C./JIS Z 8703) We examined a turbomachine where the pressure of the working fluid was negative. As a result, the following findings were obtained.
In a refrigeration cycle apparatus using a refrigerant whose saturation vapor pressure at normal temperature is a negative pressure as a working fluid, compared to a refrigeration cycle apparatus using a refrigerant whose saturation vapor pressure at normal temperature is a positive pressure as a working fluid, It is required to realize a higher pressure ratio. Therefore, the turbomachine requires extremely high rotational speed as the rotational speed of the rotating body. Further, due to this, in the turbo machine, abnormal vibration due to resonance is likely to occur. The inventors of the present invention conducted intensive studies, and biased the mass distribution of the rotating body in the axial direction to a position close to the center of gravity and increased the bending natural frequency of the rotating body to obtain the bending natural frequency of the rotating body. It has been found that the rotational speed can be made higher than the rated rotational speed, thereby suppressing abnormal vibration due to resonance.
Based on the above findings, the present inventors have conceived of the invention of each aspect described below.
本開示の第1態様にかかるターボ機械は、
常温での飽和蒸気圧が負圧である冷媒を作動流体として 用いた冷凍サイクル装置のためのターボ機械であって、
回転軸と、
前記回転軸に固定され、前記回転軸が回転するときに作動流体によって相対的に低い圧力を受ける低圧面を含む第一翼車と、
前記第一翼車の前記低圧面側に配置され、前記回転軸を支持する第一軸受と、
前記第一翼車を挟んで前記第一軸受と反対側で前記回転軸を支持する第二軸受と、を備え、
前記回転軸は、少なくとも前記第一軸受によって支持されている領域において前記第一翼車の低圧面に向かって拡大する直径を有する第一テーパー部を含み、
前記第一軸受は、前記第一翼車の低圧面に向かって直径が拡大する第一支持面を有して前記第一テーパー部を支持し、
前記第一軸受、前記第一翼車、及び前記第二軸受が前記回転軸の長さ方向に沿ってこの順に配置されている、ものである。
A turbomachine according to a first aspect of the present disclosure is
A turbo machine for a refrigeration cycle apparatus using a refrigerant whose saturation vapor pressure at normal temperature is a negative pressure as a working fluid,
With the rotation axis,
A first impeller fixed to the rotating shaft and including a low pressure surface which receives a relatively low pressure by the working fluid as the rotating shaft rotates;
A first bearing disposed on the low pressure surface side of the first impeller and supporting the rotating shaft;
And a second bearing that supports the rotating shaft on the side opposite to the first bearing with the first impeller interposed therebetween.
The rotating shaft includes a first tapered portion having a diameter that expands toward the low pressure surface of the first impeller at least in the region supported by the first bearing,
The first bearing has a first support surface whose diameter increases toward the low pressure surface of the first impeller to support the first tapered portion.
The first bearing, the first impeller, and the second bearing are disposed in this order along the longitudinal direction of the rotating shaft.
第1態様によれば、第一軸受及び第二軸受によって、比較的大きな質量を有する第一翼車が挟まれている。このため、回転軸を含む回転体の質量分布が重心位置から離れた位置に偏ることが抑制される。これにより、回転軸を含む回転体の曲げ固有振動数が比較的高く、回転軸が高速で回転しても共振による異常振動が発生しにくい。その結果、第1態様に係るターボ機械は良好な振動特性を有する。 According to the first aspect, the first bearing having the relatively large mass is sandwiched by the first bearing and the second bearing. For this reason, it is suppressed that the mass distribution of the rotating body including the rotation axis is biased to a position away from the center of gravity position. As a result, the bending natural frequency of the rotating body including the rotation axis is relatively high, and even if the rotation axis rotates at high speed, abnormal vibration due to resonance does not easily occur. As a result, the turbomachine according to the first aspect has good vibration characteristics.
また、第1態様によれば、第一軸受が第一テーパー部を支持するための第一支持面を有し、第一軸受が第一翼車の低圧面側に配置されている。第一テーパー部の直径は第一翼車に向かって拡大している。このため、回転軸の中央部分における断面積が比較的大きくなるように回転軸を形成できる。これにより、回転軸を含む回転体の曲げ固有振動数が比較的高く、回転軸が高速で回転しても共振による異常振動が発生しにくい。さらに、第1態様によれば、第一軸受が第一翼車の低圧面側に配置されているので、第一翼車から第一軸受へ向かう向きのスラスト荷重を第一軸受によって支持できる。 Further, according to the first aspect, the first bearing has a first support surface for supporting the first tapered portion, and the first bearing is disposed on the low pressure surface side of the first impeller. The diameter of the first taper increases towards the first impeller. Therefore, the rotation axis can be formed such that the cross-sectional area at the central portion of the rotation axis is relatively large. As a result, the bending natural frequency of the rotating body including the rotation axis is relatively high, and even if the rotation axis rotates at high speed, abnormal vibration due to resonance does not easily occur. Furthermore, according to the first aspect, since the first bearing is disposed on the low pressure surface side of the first impeller, the thrust load in the direction from the first impeller toward the first bearing can be supported by the first bearing.
また、第1態様によれば、作動流体として、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒を用いている。
前述の通り、作動流体として、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒を用いる場合、ターボ機械は前記インペラの回転数として高い回転数が必要になる。また、これに起因してターボ機械において、共振による異常振動が生じ易くなる。これに対して、第1態様のターボ機械は、作動流体として、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒を用いつつ、共振による異常振動を抑制することができる。
さらに、作動流体として、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒を用いる場合、そのターボ機械が高圧力比(例えば、圧力比2以上)のターボ圧縮機であっても、発生するスラスト荷重は非常に小さい。そのため、第1態様によれば、回転により生じるスラスト荷重を第一テーパー部を支持するための第一支持面を有する第一軸受(例えば、テーパーすべり軸受)単独で支持することができる。このように、第1態様は、スラスト軸受及びラジアル軸受をそれぞれ別個に備えたターボ機械に比して、装置構成が簡素である点で優れている。
Further, according to the first aspect, a refrigerant whose saturated vapor pressure at normal temperature is a negative pressure is used as the working fluid.
As described above, when a refrigerant whose saturated vapor pressure at normal temperature is a negative pressure is used as the working fluid, the turbo machine needs a high rotational speed as the rotational speed of the impeller. Further, due to this, in the turbo machine, abnormal vibration due to resonance is likely to occur. On the other hand, the turbomachine of the first aspect can suppress abnormal vibration due to resonance while using a refrigerant whose saturated vapor pressure at normal temperature is a negative pressure as the working fluid.
Furthermore, when a refrigerant whose saturated vapor pressure at normal temperature is a negative pressure is used as the working fluid, the thrust load generated is a turbo compressor even if the turbo machine is a high pressure ratio (for example, a pressure ratio of 2 or more) Very small. Therefore, according to the first aspect, it is possible to support the thrust load generated by the rotation by the first bearing (for example, the tapered slide bearing) having the first support surface for supporting the first tapered portion alone. Thus, the first aspect is superior to a turbomachine provided with thrust bearings and radial bearings separately, in that the device configuration is simple.
本開示の第1態様は、特許文献1に開示のターボチャージャに比して、以下の点で優れている。
特許文献1に記載されたターボチャージャ500によれば、回転軸303の径が回転軸303の中央部分で最も細く、回転軸303の先端にコンプレッサホイール304が取り付けられている。このため、回転軸303及びコンプレッサホイール304を含む回転体の曲げ固有振動数が低く、回転軸303が高速で回転するときに共振による異常振動が回転軸303に発生する可能性がある。
これに対し、本開示のターボ機械によると、上述の通り、第一テーパー部の直径は第一翼車に向かって拡大している。このため、回転軸の中央部分における断面積が比較的大きくなるように回転軸を形成できる。これにより、回転軸を含む回転体の曲げ固有振動数が比較的高く、回転軸が高速で回転しても共振による異常振動が発生しにくい。
さらに、特許文献1に開示のターボチャージャ500は、その構成上、回転軸303又はケーシングを少なくとも2分割することが必要となる。そのため、これに起因して、剛性が不足したり、振動が発生する等の課題が生じることが予測される。これに対して、第1態様のターボ機械は、このような課題が生じない点で優れている。
The first aspect of the present disclosure is superior to the turbocharger disclosed in
According to the
On the other hand, according to the turbomachine of the present disclosure, as described above, the diameter of the first tapered portion is expanded toward the first impeller. Therefore, the rotation axis can be formed such that the cross-sectional area at the central portion of the rotation axis is relatively large. As a result, the bending natural frequency of the rotating body including the rotation axis is relatively high, and even if the rotation axis rotates at high speed, abnormal vibration due to resonance does not easily occur.
Furthermore, the
本開示の第2態様において、例えば、第1態様にかかるターボ機械は、前記回転軸に固定された第二翼車をさらに備え、前記第一軸受、前記第一翼車、前記第二翼車、及び前記第二軸受が前記回転軸の長さ方向に沿ってこの順に配置されていてもよい。第2態様によれば、ターボ機械が、例えばターボ圧縮機である場合、二段圧縮により圧縮効率が向上し高い圧力比を達成できる。 In the second aspect of the present disclosure, for example, the turbomachine according to the first aspect further includes a second impeller fixed to the rotation shaft, the first bearing, the first impeller, and the second impeller And the second bearing may be disposed in this order along the longitudinal direction of the rotation shaft. According to the second aspect, when the turbomachine is, for example, a turbocompressor, the compression efficiency can be improved by the two-stage compression to achieve a high pressure ratio.
本開示の第3態様において、例えば、第2態様にかかるターボ機械の前記第二翼車における、前記回転軸が回転するときに前記作動流体によって相対的に低い圧力を受ける面は、前記回転軸が回転するときに前記作動流体によって相対的に高い圧力を受ける面よりも、前記第二軸受に近くしてもよい。第3態様によれば、第一翼車によって発生するスラスト荷重と第二翼車によって発生するスラスト荷重とが反対向きとなるので、これらが相殺される。これにより、ターボ機械が、例えばターボ圧縮機である場合、運転可能な圧力比の範囲が広がる。 In the third aspect of the present disclosure, for example, in the second impeller of the turbomachine according to the second aspect, the surface receiving a relatively low pressure by the working fluid when the rotation shaft rotates is the rotation shaft The second bearing may be closer to the second bearing than a surface that receives a relatively higher pressure by the working fluid as it rotates. According to the third aspect, since the thrust load generated by the first impeller and the thrust load generated by the second impeller are in opposite directions, these are offset. As a result, when the turbomachine is, for example, a turbocompressor, the range of operable pressure ratios is expanded.
本開示の第4態様において、第2態様にかかるターボ機械の前記第二翼車における、前記回転軸が回転するときに前記作動流体によって相対的に高い圧力を受ける面は、前記回転軸が回転するときに前記作動流体によって相対的に低い圧力を受ける面よりも、前記第二軸受に近くしてもよい。第4態様によれば、第一翼車と第二翼車との間の作動流体の流路が短くなり、ターボ機械を小型化できる。 In a fourth aspect of the present disclosure, in the second impeller of the turbomachine according to the second aspect, the surface receiving a relatively high pressure by the working fluid when the rotation shaft rotates has the rotation shaft rotated. The second bearing may be closer to the second bearing than a surface which receives a relatively lower pressure by the working fluid. According to the fourth aspect, the flow path of the working fluid between the first impeller and the second impeller is shortened, and the turbomachine can be miniaturized.
本開示の第5態様において、第1態様〜第4態様のいずれか1つにかかるターボ機械の前記第一支持面によって形成されたテーパー穴の中心軸線に対する前記第一支持面の傾斜角は、前記回転軸の中心軸線に対する前記第一テーパー部の傾斜角よりも大きくしてもよい。第5態様によれば、回転軸の軸方向において、第一支持面と第一テーパー部との間の潤滑剤にかかる圧力がばらつくことを防止できる。このため、軸受負荷の空間的なばらつきを防止して軸受負荷容量を増加させることができる。 In a fifth aspect of the present disclosure, the inclination angle of the first support surface with respect to the central axis of the tapered hole formed by the first support surface of the turbomachine according to any one of the first to fourth aspects is: The inclination angle of the first tapered portion with respect to the central axis of the rotation axis may be larger. According to the fifth aspect, the pressure applied to the lubricant between the first support surface and the first tapered portion can be prevented from being dispersed in the axial direction of the rotation shaft. Therefore, it is possible to prevent the spatial variation of the bearing load and to increase the bearing load capacity.
本開示の第6態様において、第1態様〜第5態様のいずれか1つのターボ機械にかかる前記第一軸受は、前記第一支持面に潤滑剤を供給するための第一供給孔を有していてもよい。第6態様によれば、第一支持面に潤滑剤を供給でき、潤滑剤の枯渇による焼き付きを防止できる。 In a sixth aspect of the present disclosure, the first bearing according to any one of the first to fifth aspects has a first supply hole for supplying a lubricant to the first support surface. It may be According to the sixth aspect, the lubricant can be supplied to the first support surface, and seizure due to exhaustion of the lubricant can be prevented.
本開示の第7態様において、第6態様にかかるターボ機械の前記第一供給孔は、前記第一テーパー部の直径が最大となる端部よりも前記第一テーパー部の直径が最小となる端部に近い位置に設けられていてもよい。第7態様によれば、潤滑剤の圧力が比較的小さい第一テーパー部の小径側に潤滑剤による静圧効果を優先的に付与できる。これにより、第一軸受全体の軸受負荷容量が増加する。 In a seventh aspect of the present disclosure, the first feed hole of the turbomachine according to the sixth aspect is an end where the diameter of the first tapered portion is smaller than the end where the diameter of the first tapered portion is the largest. It may be provided at a position close to the unit. According to the seventh aspect, the static pressure effect by the lubricant can be given preferentially to the small diameter side of the first tapered portion where the pressure of the lubricant is relatively small. This increases the bearing load capacity of the entire first bearing.
本開示の第8態様において、第6態様又は第7態様にかかるターボ機械の前記第一軸受は、前記第一支持面の全部又は一部を形成する第一多孔質部材を備えていてもよい。第8態様によれば、第一軸受において、潤滑剤の温度又は圧力の空間的なばらつきを抑制できる。 In an eighth aspect of the present disclosure, the first bearing of the turbomachine according to the sixth aspect or the seventh aspect includes the first porous member forming all or a part of the first support surface. Good. According to the eighth aspect, in the first bearing, spatial variations in temperature or pressure of the lubricant can be suppressed.
本開示の第9態様において、第1態様〜第8態様のいずれか1つにかかるターボ機械の前記回転軸が重力方向に延びており、前記第一翼車における、前記回転軸が回転するときに前記作動流体によって相対的に低い圧力を受ける面は、前記回転軸が回転するときに前記作動流体によって相対的に高い圧力を受ける面よりも、前記重力方向の上向きに位置していてもよい。第9態様によれば、回転軸の回転によって発生するスラスト荷重を、回転軸を含む回転体に働く重力によって相殺できる。これにより、ターボ機械が、例えばターボ圧縮機である場合、運転可能な圧力比の範囲が広がる。 In a ninth aspect of the present disclosure, when the rotation axis of the turbomachine according to any one of the first to eighth aspects extends in a gravity direction, and the rotation axis of the first impeller rotates. The surface receiving a relatively lower pressure by the working fluid may be located higher in the direction of gravity than the surface receiving a relatively higher pressure by the working fluid when the rotation shaft rotates. . According to the ninth aspect, the thrust load generated by the rotation of the rotation shaft can be offset by the gravity acting on the rotating body including the rotation shaft. As a result, when the turbomachine is, for example, a turbocompressor, the range of operable pressure ratios is expanded.
本開示の第10態様において、第1態様〜第9態様のいずれか1つにかかるターボ機械の前記第二軸受に対応する位置に、前記第一翼車に向かって拡大する直径を有する第二テーパー部を有し、前記第二軸受は、前記第一翼車に向かって直径が拡大する第二支持面を有して前記第二テーパー部を支持してもよい。第10態様によれば、第一翼車から第一軸受へ向かう向きと反対向きのスラスト荷重を第二軸受によって支持できる。 In a tenth aspect of the present disclosure, a second of the turbomachine according to any one of the first to ninth aspects, having a diameter increasing toward the first impeller at a position corresponding to the second bearing of the turbomachine The second bearing may have a tapered portion, and the second bearing may have a second support surface whose diameter increases toward the first impeller to support the second tapered portion. According to the tenth aspect, the second bearing can support the thrust load in the opposite direction to the direction from the first impeller to the first bearing.
本開示の第11態様において、第10態様にかかるターボ機械の前記第二支持面によって形成されたテーパー穴の中心軸線に対する前記第二支持面の傾斜角が前記回転軸の中心軸線に対する前記第二テーパー部の傾斜角よりも大きくしてもよい。第11態様によれば、回転軸の軸方向において、第二支持面と第二テーパー部との間の潤滑剤にかかる圧力がばらつくことを防止できる。このため、軸受負荷の空間的なばらつきを防止して軸受負荷容量を増加させることができる。 In an eleventh aspect of the present disclosure, the tilt angle of the second support surface with respect to the central axis of the tapered hole formed by the second support surface of the turbomachine according to the tenth aspect is the second angle with respect to the central axis of the rotation axis. It may be larger than the inclination angle of the tapered portion. According to the eleventh aspect, it is possible to prevent the pressure applied to the lubricant between the second support surface and the second tapered portion from being dispersed in the axial direction of the rotation shaft. Therefore, it is possible to prevent the spatial variation of the bearing load and to increase the bearing load capacity.
本開示の第12態様において、第10態様又は第11態様にかかるターボ機械の前記第二軸受は、前記第二支持面に潤滑剤を供給するための第二供給孔を有してもよい。第12態様によれば、第二支持面に潤滑剤を供給でき、潤滑剤の枯渇による焼き付きを防止できる。 In a twelfth aspect of the present disclosure, the second bearing of the turbomachine according to the tenth aspect or the eleventh aspect may have a second supply hole for supplying a lubricant to the second support surface. According to the twelfth aspect, the lubricant can be supplied to the second support surface, and seizure due to exhaustion of the lubricant can be prevented.
本開示の第13態様において、第12態様にかかるターボ機械の前記第二供給孔は、前記第二テーパー部の直径が最大となる端部よりも前記第二テーパー部の直径が最小となる端部に近い位置に設けられていてもよい。第13態様によれば、潤滑剤の圧力が比較的小さい第二テーパー部の小径側に潤滑剤による静圧効果を優先的に付与できる。これにより、第二軸受全体の軸受負荷容量が増加する。 In a thirteenth aspect of the present disclosure, the second supply hole of the turbomachine according to the twelfth aspect is an end where the diameter of the second tapered portion is smaller than the end where the diameter of the second tapered portion is the largest. It may be provided at a position close to the unit. According to the thirteenth aspect, the static pressure effect of the lubricant can be preferentially imparted to the small diameter side of the second tapered portion where the pressure of the lubricant is relatively small. This increases the bearing load capacity of the entire second bearing.
本開示の第14態様において、第12態様又は第13態様にかかるターボ機械の前記第二軸受は、前記第二支持面の全部又は一部を形成する第二多孔質部材を備えていてもよい。第14態様によれば、第二軸受において、潤滑剤の温度又は圧力の空間的なばらつきを抑制できる。 In a fourteenth aspect of the present disclosure, the second bearing of the turbomachine according to the twelfth aspect or the thirteenth aspect includes the second porous member forming all or a part of the second support surface. Good. According to the fourteenth aspect, spatial variations in the temperature or pressure of the lubricant can be suppressed in the second bearing.
本開示の第15態様にかかるターボ機械は、
常温での飽和蒸気圧が負圧である冷媒を用いた冷凍サイクル装置のためのターボ機械であって、
回転軸と、
前記回転軸が回転するときに作動流体によって相対的に低い圧力を受ける低圧面及び前記低圧面に対向する高圧面を有し、前記低圧面と前記高圧面との圧力差により生ずる力を前記高圧面から前記低圧面に向けて生じさせる第一翼車と、
前記第一翼車の低圧面側において前記回転軸を支持する第一軸受と、を具備し、
前記第一翼車及び前記回転軸を含めた回転体の重心は、前記第一翼車の高圧側に位置し、
前記回転軸は、前記第一翼車の低圧面側において前記第一翼車の低圧面に向かって拡大する直径の第一テーパー部を有し、
前記第一軸受は、前記第一テーパー部を支持し、前記第一翼車の低圧面に向かって拡大する直径の第一支持面を有する、ものである。
A turbomachine according to a fifteenth aspect of the present disclosure is
A turbo machine for a refrigeration cycle apparatus using a refrigerant whose saturated vapor pressure at normal temperature is a negative pressure,
With the rotation axis,
It has a low pressure surface which receives a relatively low pressure by the working fluid when the rotary shaft rotates, and a high pressure surface which faces the low pressure surface, and the force generated by the pressure difference between the low pressure surface and the high pressure surface is the high pressure A first impeller generated from the surface toward the low pressure surface;
A first bearing that supports the rotating shaft on the low pressure surface side of the first impeller;
The center of gravity of the rotating body including the first impeller and the rotation axis is located on the high pressure side of the first impeller,
The rotating shaft has a first tapered portion with a diameter that expands toward the low pressure surface of the first impeller on the low pressure surface side of the first impeller.
The first bearing supports the first tapered portion and has a first support surface of a diameter that increases toward the low pressure surface of the first impeller.
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本開示の一例に関するものであり、本開示はこれらによって限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings. The following description relates to an example of the present disclosure, and the present disclosure is not limited thereto.
<第1実施形態>
図1に示すように、ターボ機械100aは、回転軸4と、第一翼車3aと、第一軸受1と、第二軸受2とを備えている。ターボ機械100aは、例えば、ターボ圧縮機である。第一翼車3aは、回転軸4に固定されている。また、第一翼車3aは、低圧面31を含む。低圧面31は、第一翼車3aの軸方向の両面のうち、回転軸4が回転するときに作動流体によって相対的に低い圧力を受ける面である。第一軸受1は、第一翼車3aの低圧面31側に配置されている。また、第一軸受1は回転軸4を支持するための軸受である。第一軸受1は、第一翼車3aの作動流体が供給される側で、回転軸4の先端付近を支持している。第二軸受2は、第一軸受1と共に第一翼車3aを挟むように配置されている。第二軸受2は、回転軸4を支持するための軸受である。第二軸受2は、第一翼車3aの低圧面31とは反対側に配置されている。回転軸4は、第一翼車3aに向かって拡大する直径を有する第一テーパー部41を含む。第一テーパー部41は、第一翼車3aの低圧面31側に形成されている。第一軸受1は、第一テーパー部41を支持するための第一支持面11を有する。
First Embodiment
As shown in FIG. 1, the
ターボ機械100aは、ケーシング5及びモータ6をさらに備える。第一翼車3aとモータ6とは、回転軸4によって連結されている。第二軸受2は、モータ6よりも第一翼車3aから遠い位置に配置されている。第一翼車3aの外周側にはケーシング5によって吐出流路71が形成されている。モータ6が駆動されることによって、回転軸4と共に第一翼車3aが高速で回転する。これにより、第一翼車3aの前方(図1における第一翼車3aの左側)から第一翼車3aに向かって作動流体が流れる。作動流体は回転している第一翼車3aによって加速され、かつ、加圧され、吐出流路71を通ってターボ機械100aから吐出される。このとき、図1における第一翼車3aの左側の面は作動流体の吸込圧力を受け、第一翼車3aの右側の面は作動流体の吐出圧力にほぼ等しい圧力を受ける。すなわち、低圧面31は、回転軸4が回転するときに作動流体によって相対的に低い圧力を受ける。このため、第一翼車3aの軸方向の両面で差圧が生じ、この差圧により回転軸4及び第一翼車3aを含む回転体に、図1の左方向へのスラスト荷重が発生する。第一軸受1は、例えば、すべり軸受として構成されており、第一支持面11と第1テーパー部41との間には潤滑剤が含まれている。第一支持面11によって、第一テーパー部41よりもわずかに大きい径を有するテーパー穴が形成されている。すなわち、第一支持面11によって第一翼車3aに向かって穴径が拡大するテーパー穴が形成されている。これにより、発生したスラスト荷重が支持される。
ターボ機械100aにおいては、第一軸受1及び第二軸受2によって、比較的大きな質量を有する第一翼車3aが挟まれている。このため、回転軸4及び第一翼車3aを含む回転体の質量分布が重心位置から遠く離れた位置に偏ることが抑制され、回転体の曲げ固有振動数が低下することが抑制される。これにより、回転軸4及び第一翼車3aを含む回転体の曲げ固有振動数を回転体の回転数よりも十分に高くできる。このため、回転体の回転数と、回転体の曲げ固有振動数とが近接しないため、回転軸4が高速で回転しても共振による異常振動が発生しにくい。その結果、ターボ機械100aが良好な振動特性を有する。
In the
回転体の曲げ固有振動数は回転軸の断面積が大きい程増加し、特に曲げ1次振動モードにおける「腹」に相当する回転軸の中央部分の断面積が回転体の曲げ固有振動数に最も大きく影響する。第一軸受1が第一テーパー部41を支持するための第一支持面11を有し、第一軸受1が第一翼車3aの低圧面31側に配置されている。第一テーパー部41の直径は第一翼車3aに向かって拡大している。このため、回転軸4の中央部分における断面積が比較的大きくなるように回転軸4を形成できる。これにより、回転軸4及び第一翼車3aを含む回転体の曲げ固有振動数が比較的高く、回転軸4が高速で回転しても共振による異常振動が発生しにくい。その結果、ターボ機械100aが良好な振動特性を有する。
The bending natural frequency of the rotating body increases as the cross-sectional area of the rotating shaft increases, and in particular, the cross-sectional area of the central portion of the rotating shaft corresponding to "antinode" in the primary bending mode of vibration is the most suitable for the bending natural frequency of the rotating body. It greatly affects. The
回転軸4及び第二軸受2は、図2に示すように構成されていてもよい。ターボ機械100bは、回転軸4及び第二軸受2が図2に示すように構成されている点以外は、ターボ機械100aと同様に構成されている。ターボ機械100bにおいて、回転軸4は、第二テーパー部42を含む。第二テーパー部42は、第一翼車3aに向かって拡大する直径を有している。また、第二軸受2は、第二テーパー部42を支持するための第二支持面21を有する。第二軸受2は、例えば、すべり軸受として構成されている。第二支持面21によって、第二テーパー部42よりもわずかに大きい径を有するテーパー穴が形成されている。第二支持面21と第2テーパー部42との間には潤滑剤が含まれている。
The
回転軸4及び第一翼車3aを含む回転体が高速で回転するとき、回転体の質量特性のアンバランス又は作動流体の非対称な流体力に起因して振動荷重が発生することがある。この振動荷重の軸方向の荷重が大きいと回転軸4及び第一翼車3aを含む回転体のスラスト荷重が第一翼車3aから第一軸受1へ向かう向きとは逆向きにかかることがある。このようなスラスト荷重を第二軸受2によって支持できる。
When the rotating body including the
ターボ機械100bにおいて、第二軸受2は、第一軸受1と第二軸受2との間に回転軸4の軸方向の中心が位置するように配置されている。これにより、回転軸4の中央部分の断面積が小さくなることを防止できる。なお、回転軸4が、例えば、ユニバーサルジョイントによって別の回転軸に連結されていても、回転軸4を含む回転体の曲げ振動は別の回転軸によってはほとんど影響を受けない。このため、この場合、回転軸4に連結された別の回転軸を無視して、回転軸4の軸方向の中心が定められる。
In the
<第2実施形態>
次に、第2実施形態に係るターボ機械100c及びターボ機械100dについて説明する。第2実施形態に係るターボ機械100c及びターボ機械100dは、特に説明する場合を除き、ターボ機械100aと同様に構成されている。ターボ機械100aと同一又は対応するターボ機械100c及びターボ機械100dの構成要素には、ターボ機械100aと同一の符号を付し、詳細な説明を省略することがある。第1実施形態に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、本実施形態にも適用される。
Second Embodiment
Next, a
ターボ機械100cは、第二翼車3bをさらに備えている。第二翼車3bは回転軸4に固定されている。第一軸受1及び第二軸受2は、第一翼車3a及び第二翼車3bを挟むように配置されている。ここで、第二軸受2は、ターボ機械100bの第二軸受2と同様に構成されており、これに伴い、回転軸4は、第二テーパー部42を含む。第二翼車3bは、低圧面131及び高圧面132を含む。低圧面131は、回転軸4が回転するときに作動流体によって相対的に低い圧力を受ける、第二翼車3bの面である。高圧面132は、低圧面131と反対側の面である。第二翼車3bの外周側にはケーシング5によって吐出流路73が形成されている。また、ターボ機械100cは、吐出流路71と第二翼車3bの低圧面131側の空間を連通させる接続流路72を備える。ターボ機械100cは、例えば、ターボ圧縮機である。第一翼車3aによって加圧された作動流体は、吐出流路71及び接続流路72を通って第二翼車3bへ吸い込まれる。作動流体は回転している第二翼車3bによって加速され、かつ、加圧され、吐出流路73を通ってターボ機械100cから吐出される。このように、作動流体は、第一翼車3a及び第二翼車3bによって二段圧縮されるので、圧縮効率が向上し、高い圧力比を達成できる。
The
第二翼車3bは、低圧面131と反対側の面(高圧面132)が第一翼車3aを向くように、回転軸4に固定されている。第二翼車3bが回転すると、図3における第二翼車3bの右側の面は作動流体の吸込圧力を受け、第一翼車3aの左側の面は作動流体の吐出圧力にほぼ等しい圧力を受ける。このため、第二翼車3bの回転により、図3の右方向へのスラスト荷重が発生する。すなわち、第一翼車3aの回転により発生するスラスト荷重の向きと第二翼車3bの回転により発生するスラスト荷重の向きとが逆である。このため、これらのスラスト荷重が互いに相殺されるので、ターボ機械100cの運転可能な圧力比の範囲が広い。
The
図4に示すターボ機械100dのように、第二翼車3bは、低圧面131が第一翼車3aを向くように、回転軸4に固定されていてもよい。この場合、第一翼車3aと第二翼車3bとの間の作動流体の流路(接続流路72)を短くできる。これにより、ターボ機械100dがターボ機械100cに比べて小型化されている。
Like the
<変形例>
第1実施形態に係るターボ機械100a及びターボ機械100b並びに第2実施形態に係るターボ機械100c及びターボ機械100dは様々な観点から変更が可能である。以下に、ターボ機械100a〜100dの変形例について説明する。なお、以下の変形例に係る構成要素のうち、ターボ機械100a〜100dと同一又は対応する構成要素には同一の符号を付し詳細な説明を省略することがある。
<Modification>
The
(第1変形例)
第一軸受1の支持面11及び第二軸受2の支持面21は、それぞれ、図5A及び図5Bに示すように形成されていてもよい。第一支持面11は、第一支持面11によって形成されたテーパー穴の中心軸線Q1に対する第一支持面11の傾斜角θ2が回転軸4の中心軸線Pに対する第一テーパー部41の傾斜角θ1よりも大きいように形成されている。また、第二支持面21は、第二支持面21によって形成されたテーパー穴の中心軸線Q2に対する第二支持面21の傾斜角θ4が回転軸4の中心軸線Pに対する第二テーパー部42の傾斜角θ3よりも大きいように形成されている。この場合、傾斜角θ2の傾斜角θ1に対する比(θ2/θ1)は、例えば、1.0001〜1.01である。また、傾斜角θ4の傾斜角θ3に対する比(θ4/θ3)は、例えば、1.0001〜1.01である。
(First modification)
The
潤滑剤によって潤滑されている軸受と軸との潤滑の状態は以下のゾンマーフェルト数によって評価できる。ここで、μは潤滑剤の粘性係数[Pa・s]を、Nは軸の回転速度[s-1]を、Pは負荷面圧(負荷荷重/子午面断面積)[Pa]を、Rは軸の半径[m]を、cは軸受と軸との半径隙間[m]をそれぞれ意味する。
ゾンマーフェルト数=(μN/P)×(R/c)2
The state of lubrication between the bearing and the shaft being lubricated by the lubricant can be evaluated by the following Sommerfeld numbers. Here, μ is the viscosity coefficient [Pa · s] of the lubricant, N is the rotational speed of the shaft [s -1 ], P is the load surface pressure (load load / meridional section area) [Pa], R Denotes the radius [m] of the shaft, and c denotes the radial gap [m] between the bearing and the shaft.
Sommerfeld number = (μN / P) × (R / c) 2
図6は、第一支持面11と第一テーパー部41との間の潤滑剤の圧力と、第一支持面11が形成するテーパー穴の穴径が最小となる第一支持面11の最小径端部から軸方向への距離との関係を示す。ゾンマーフェルト数が低いと潤滑剤にかかる圧力は低い。第一テーパー部41の大径部分の半径は第一テーパー部41の小径部分の半径より大きいので、傾斜角θ1と傾斜角θ2が等しいと、潤滑剤の圧力は図6の破線に示すように第一テーパー部41の大径側でより高くなる。このため、軸受負荷が第一テーパー部41の大径側に偏ってしまう。これに対し、上記のように、傾斜角θ1と傾斜角θ2との関係が定められていれば、第一テーパー部41の軸方向においてゾンマーフェルト数のばらつきが少なくなる。このため、第一テーパー部41の軸方向における潤滑剤の圧力分布のばらつきが図6の実線で示すように小さくなる。これにより、軸受負荷容量を増加させることができる。このことは、傾斜角θ3と傾斜角θ4との関係にもあてはまる。
In FIG. 6, the pressure of the lubricant between the
中心軸線Q1に沿って第一軸受1を切断したときの第一支持面11の稜線を延長して得られる仮想的な交点を交点1と定義する。また、中心軸線Pに沿って第一テーパー部41を切断したときの第一テーパー部41の稜線を延長して得られる仮想的な交点を交点2と定義する。第一テーパー部41の軸方向においてゾンマーフェルト数のばらつきをより少なくするために、第一支持面11は、交点1と交点2とが一致するように形成されていることが望ましい。このことは、第二支持面21と第二テーパー部42との関係についてもあてはまる。
A virtual intersection obtained by extending the ridge line of the
(第2変形例)
図7Aに示すように、第一軸受1は、第一支持面11に潤滑剤を供給するための第一供給孔12を有してもよい。これにより、第一支持面11に潤滑剤を供給でき、潤滑剤の枯渇による焼き付きを防止できる。また、高圧の潤滑剤が第一供給孔12を通って供給されることによって、静圧効果による回転軸4を含む回転体の支持力が得られる。回転軸4が回転することによって生じる動圧効果による支持力だけでなく、静圧効果による支持力も加わるので、回転軸4が停止している場合でも回転軸4を浮き上がらせることができる。これにより、回転軸4の回転が停止したときに第一軸受1及び回転軸4のすべり面の損耗を非常に低く抑えることが出来る。静圧効果による支持力は、第一支持面11に垂直に作用するので、半径方向の支持力成分だけでなく、軸方向の支持力成分も有する。このため、軸方向の軸受負荷容量を増加させることができる。
(2nd modification)
As shown in FIG. 7A, the
また、図7Aに示すように、第一供給孔12は、第一テーパー部41の直径が最大となる端部よりも第一テーパー部41の直径が最小となる端部に近いことが望ましい。これにより、潤滑剤の圧力が比較的小さい第一テーパー部41の小径側に潤滑剤による静圧効果を優先的に付与できる。このため、第一軸受1全体の軸受負荷容量が増加する。
Further, as shown in FIG. 7A, it is desirable that the
図7Bに示すように、第二軸受2は、第二支持面21に潤滑剤を供給するための第二供給孔22を有してもよい。また、第二供給孔22は、第二テーパー部42の直径が最大となる端部よりも第二テーパー部42の直径が最小となる端部に近いことが望ましい。これにより、第二軸受2においても、上記の効果が得られる。
As shown in FIG. 7B, the
(第3変形例)
図8Aに示すように、第一軸受1は、第一供給孔12を有していることに加えて、第一支持面11の全部又は一部を形成する第一多孔質部材13を備えていてもよい。また、図8Bに示すように、第二軸受2は、第二供給孔22を有していることに加えて、第二支持面21の全部又は一部を形成する第二多孔質部材23を備えていてもよい。第一多孔質部材13及び第二多孔質部材23は、例えば、焼結金属、成長鋳鉄、又は合成樹脂などの多孔質材料によってできている。第一供給孔12の数が1つ又は少数であると、第一供給孔12の近傍における潤滑剤の温度又は圧力と、第一供給孔12から離れた位置における潤滑剤の温度又は圧力とが異なることがある。これにより、回転軸4の回転が不安定となる可能性がある。このことは、第二供給孔22の数が1つ又は少数である場合にもあてはまる。第一支持面11の全部又は一部が第一多孔質部材13によって形成されていると、第一軸受1において、潤滑剤の温度又は圧力の空間的なばらつきを抑制できる。また、第二支持面21の全部又は一部が第二多孔質部材23によって形成されていると、第二軸受2において、潤滑剤の温度又は圧力の空間的なばらつきを抑制できる。
(Third modification)
As shown in FIG. 8A, in addition to having the first supply holes 12, the
(その他の変形例)
回転軸4は、水平方向に延びていてもよいし、鉛直方向に延びていてもよい。回転軸4が鉛直方向に延びている場合、第一翼車3aは、回転軸4の回転によって発生するスラスト荷重が鉛直方向と反対方向に作用するように回転軸4に固定されていることが望ましい。この場合、回転軸4の回転によって発生するスラスト荷重を、回転軸4及び第一翼車3aを含む回転体に働く重力によって相殺できる。これにより、ターボ機械の運転可能な圧力比の範囲が広がる。
(Other modifications)
The
本開示は、ターボ冷凍機、業務用空調などの空調製品に利用できる冷凍サイクル装置の圧縮機に有用である。 The present disclosure is useful for a compressor of a refrigeration cycle apparatus that can be used for air conditioning products such as turbo chillers and commercial air conditioning.
1 第一軸受
2 第二軸受
3a 第一翼車
3b 第二翼車
4 回転軸
11 第一支持面
12 第一供給孔
13 第一多孔質部材
21 第二支持面
22 第二供給孔
23 第二多孔質部材
31 低圧面
41 第一テーパー部
42 第二テーパー部
100a〜100d ターボ機械
1 first bearing 2
Claims (14)
回転軸と、
前記回転軸に固定され、前記回転軸が回転するときに作動流体によって相対的に低い圧力を受ける低圧面を含む第一翼車と、
前記第一翼車の前記低圧面側に配置され、前記回転軸を支持する第一軸受と、
前記第一翼車を挟んで前記第一軸受と反対側で前記回転軸を支持する第二軸受と、を備え、
前記回転軸は、少なくとも前記第一軸受によって支持されている領域において前記第一翼車の低圧面に向かって拡大する直径を有する第一テーパー部を含み、
前記第一軸受は、前記第一翼車の低圧面に向かって直径が拡大する第一支持面を有して前記第一テーパー部を支持し、
前記第一軸受、前記第一翼車、及び前記第二軸受が前記回転軸の長さ方向に沿ってこの順に配置されている、
ターボ機械。 A turbo machine for a refrigeration cycle apparatus using a refrigerant whose saturation vapor pressure at normal temperature is a negative pressure as a working fluid,
With the rotation axis,
A first impeller fixed to the rotating shaft and including a low pressure surface which receives a relatively low pressure by the working fluid as the rotating shaft rotates;
A first bearing disposed on the low pressure surface side of the first impeller and supporting the rotating shaft;
And a second bearing that supports the rotating shaft on the side opposite to the first bearing with the first impeller interposed therebetween.
The rotating shaft includes a first tapered portion having a diameter that expands toward the low pressure surface of the first impeller at least in the region supported by the first bearing,
The first bearing has a first support surface whose diameter increases toward the low pressure surface of the first impeller to support the first tapered portion.
The first bearing, the first impeller, and the second bearing are disposed in this order along the longitudinal direction of the rotation shaft.
Turbo machine.
前記第一軸受、前記第一翼車、前記第二翼車、及び前記第二軸受が前記回転軸の長さ方向に沿ってこの順に配置されている、請求項1に記載のターボ機械。 It further comprises a second impeller fixed to the rotating shaft,
The turbo machine according to claim 1, wherein the first bearing, the first impeller, the second impeller, and the second bearing are disposed in this order along the longitudinal direction of the rotation shaft.
前記第一翼車における、前記回転軸が回転するときに前記作動流体によって相対的に低い圧力を受ける面は、前記回転軸が回転するときに前記作動流体によって相対的に高い圧力を受ける面よりも、前記重力方向の上向きに位置する、請求項1〜8のいずれか1項に記載のターボ機械。 The rotation axis extends in the direction of gravity,
The surface of the first impeller that receives a relatively lower pressure by the working fluid when the rotating shaft rotates is a surface that receives a relatively higher pressure by the working fluid when the rotating shaft rotates. The turbo machine according to any one of claims 1 to 8, wherein the turbo machine is also located upward in the direction of gravity.
前記第二軸受は、前記第一翼車に向かって直径が拡大する第二支持面を有して前記第二テーパー部を支持する、請求項1〜9のいずれか1項に記載のターボ機械。 The rotating shaft has a second tapered portion having a diameter increasing toward the first impeller at a position corresponding to the second bearing,
The turbomachine according to any one of claims 1 to 9, wherein the second bearing has a second support surface whose diameter increases toward the first impeller to support the second tapered portion. .
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